硫吗啉氢碘酸盐协同调控结晶与缺陷的低维金属卤化物/有机互指p/n异质结太阳能电池

《Advanced Electronic Materials》：Low-Dimensional Metal Halide-Organic Interdigitated p/n Heterojunction Solar Cells Enabled by Thiomorpholine Hydroiodide Additive

　　

低维金属卤化物是具有层状刚性框架和本征疏水性的p型光吸收材料，因耐水氧腐蚀能力优于三维(3D)金属卤化物而在稳定光伏器件中受到关注。然而，其面向互指(interdigitated)p/n异质结的高效构筑仍受限于相控制差、缺陷密度高与界面损失大。研究人员提出分子与形貌协同工程策略：引入硫吗啉氢碘酸盐(TMI)调节二维(2D)p型金属卤化物前驱体结晶动力学并钝化缺陷。TMI通过氢键/静电作用及与PbI2相互作用诱导的电子重分布，促进择优取向、提高相纯度并降低陷阱态密度。基于TMI优化的吸收层，单p型器件效率由20.99%提升至22.14%；在平面p/n异质结中引入三元有机n层后效率由22.44%提升至23.45%；以TMI优化膜为模板进行高保真纳米压印构建互指p/n异质结，冠军效率达24.27%，为目前低维金属卤化物太阳能电池最高值。未封装互指器件在连续最大功率点(MPP)追踪1000 h后仍保留初始效率的84%。该工作为高效稳定结构化光伏提供了可扩展路径。

研究背景与问题提出：低维金属卤化物具备层状刚性框架与本征疏水性，环境稳定性优于三维金属卤化物，但其光伏转化仍受层间迁移率低、激子束缚能高导致的非辐射复合、结晶取向难控及界面能级失配限制。互指p/n异质结可将平面结转为三维互穿网络，缩短电荷收集距离、扩大给受体界面，但该类结构高度依赖p型吸收膜结晶均匀性——若相分布不均、取向差或缺陷多，会在纳米压印与热处理中被放大，造成界面畸变与输运通路失效。因此，先获得高取向、低缺陷、均相p型模板，是构筑高质量互指异质结的前提。

主要关键技术方法：研究人员采用密度泛函理论(DFT)计算、紫外可见吸收、傅里叶变换红外(FTIR)与X射线光电子能谱(XPS)解析TMI与PbI₂分子级作用；通过原位紫外可见追踪旋涂与退火阶段成核结晶动力学；用X射线衍射(XRD)与掠入射广角X射线散射(GIWAXS)表征晶相与取向；结合稳态/瞬态光致发光(PL/TRPL)、高灵敏外量子效率(HS-EQE)提取Urbach能评价缺陷；利用纳米压印光刻以蓝宝石纳米柱阵列为模板成型互指形貌，再沉积三元有机n层(PM6:PYIT:Y7BO)；最后通过J–V、EQE、电致发光(EL)、瞬态光电流/光电压(TPC/TPV)及最大功率点追踪(MPPT)评估器件与稳定性。

研究结果

2.1 前驱体分子相互作用表征：DFT与谱学表明TMI与PbI₂作用能(?1.32 kcal/mol)远强于MAI/GAI；N 1s结合能下移、Pb 4f与I 3d上移，证实铵基与碘离子氢键/静电作用及电子重分布，TMI可锚定Pb–I框架并调制局域电子结构。

2.2 结晶与发光性能控制：原位吸收显示TMI抑制初期爆发成核、加速中温退火中间相向低维相转变。XRD/GIWAXS出现新2D层状衍射峰，取向增强；吸收带n=1/2/3强度提升且带隙不变。PL增强、TRPL寿命由148.52 ns延至207.31 ns，Urbach能由17.45 meV降至16.26 meV，说明非辐射复合与带尾态被抑制。

2.3 光伏性能与稳定性：单p型器件(结构FTO/NiO_X/MeO-2PACz/低维p层/C₆₀/BCP/Ag)效率20.99%→22.14%；平面p/n异质结效率22.44%→23.45%；纳米压印互指器件冠军效率24.27%(V_OC 1.194 V，J_SC 23.92 mA·cm^?2，FF 84.96%)。EL外量子效率由1.65%升至2.89%，非辐射电压损失由106 mV降至92 mV，陷阱密度由1.15×10¹⁶降至1.03×10¹⁶ cm^?3。未封装器件MPPT 1000 h保留84%初始效率，暗态存储1536 h保留91%。

讨论与结论翻译：研究人员指出，TMI通过分子工程同步优化前驱体均匀性、择优取向、晶粒与相纯度并钝化未配位位点，使p型吸收层兼作高精度压印模板。该模板质量决定了互指异质结界面保真度与载流子输运。结论为：TMI介导的吸收层/模板优化是构筑高效稳定互指p/n异质结的关键前提；单吸收层22.14%、平面结23.45%、互指结24.27%的递进效率与长期运行稳定性，证明“分子调控+拓扑形貌工程”是可规模化的低维金属卤化物光伏路线。

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对比TMI与同类添加剂的创新差异

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